バッテリーパックにとってバッテリーバランシングが重要な理由

自動車用電源バッテリーシステムは、特定の電圧および電力要件を満たすために、複数の個々のセルを直列に接続して構成されています。実用上、個々のセル間のばらつきにより、バッテリーパック全体の容量は最も弱いセルの容量によって制限されます。直列接続されたパックでは、各セルを流れる電流は同一ですが、容量の違いにより放電深度が異なり、大容量セルは充電不足・放電不足になりやすく、小容量セルは過充電・過放電になりやすくなります。その結果、大容量セルはゆっくりと劣化し長持ちしますが、小容量セルは急速に劣化し寿命が短くなります。この差は時間とともに広がり、最終的には小容量セルの故障によりバッテリーパック全体の早期故障につながります。

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バランシングの基本的な目標は、「ピークを削り、谷を埋める」ことです。これは、充電中、放電中、またはアイドル期間中に外部回路を使用して充放電電流を調整し、動作中のセルの電圧を均一に保つことで、車両の航続距離とバッテリーパックのサービス寿命を延ばすことを含みます。

個々のセルの性能のばらつきによりバッテリーパックの性能が低下する現象は、一般的に「セルミスマッチ」または「アンバランス」と呼ばれます。ほとんどの場合、このアンバランスは、セルの固有の化学的特性の変化ではなく、製造プロセスおよびテスト方法の不備に起因します。セルは製造後に選別・マッチングされても、アンバランスは発生する可能性があります。例えば、自己放電率の違いはアイドル期間中に容量のアンバランスを引き起こす可能性があり、内部抵抗の違いは充電プロセス中に特定のセルが過充電される原因となる可能性があります。
個々のセルのバランシング制御を実現するために、バランサーはバッテリー管理システム（BMS）のコアコンポーネントとして機能します。バランサーがなければ、管理システムは測定データにアクセスできても、是正措置を講じることができず、「管理」という概念は無意味になります。

I. バランシング制御管理の基本モデル

本章で説明するバランシング制御モデルは、直列構成のバッテリーパックに適用され、パック内に合計*n*個のセルがあると仮定します。このモデルで示されるように、パック内の個々のセルの容量と充電状態（SOC）はいつでも変動する可能性があり、電源バッテリーパックのバランシング制御管理が必要となります。電気自動車の場合、電源バッテリーセルの不一致は、主に以下の2つの要因により避けられません。

• バッテリー製造プロセスに起因する不一致。
• 動作環境に起因する不一致。

II. バランシング制御管理の分類

バッテリーバランシング制御方法には多種多様なものがあり、常に新しいものが登場しています。異なる分類基準では異なる結果が得られるため、これらの方法を分類することは困難です。以下の表は、一般的な分類基準とその対応するタイプをまとめたものです。

III. バランシング制御管理の意義

1. バランシング制御管理は、バッテリーパック全体の容量増加に役立ちます。
4つのセル（B1、B2、B3、B4）で構成されるバッテリーパックを考えます。公称容量はすべて同じ（C1=C2=C3=C4=Cmax）と仮定しますが、自己放電率のばらつきなどの要因により、充電サイクル前の初期容量は異なります。具体的には、B2が最も初期容量が高く、B3が最も低いと仮定します。セルは直列に接続されているため、パックの残りの容量は均一に減少しますが、時間とともにアンバランスが発生します。バランシング制御により、全体の使用可能容量を増加させることができます。

2. バランシング制御管理は、電源バッテリーセルの充電および放電深度の調整に役立ちます。
まず、バランシング管理はバッテリーの安全性を向上させます。充電バランシング管理がない場合、次のシナリオを考えてみましょう。4つのセルのうち1つ（B2）が満充電に近づいています（つまり、充電状態（SOC）が95％を超えています）。起電力と内部抵抗の特性により、動作電圧が急速に上昇し、過充電しやすくなります。

第二に、バランシング管理はバッテリー寿命を延ばします。第三に、バランシング管理はバッテリーの均一な経年劣化を可能にし、それによって健全状態（SOH）の一貫性を向上させます。SOHの一貫性の欠如は、バッテリー管理システムに困難をもたらします。バッテリーの残量（または充電状態、SOC）の推定というすでに困難なタスクを複雑にし、バッテリーパックの最適化された充電戦略の実装を妨げます。パック全体のSOHの一貫性を向上させるためには、バッテリーの経年劣化に影響を与える要因が、各個々のセルに可能な限り均等に影響を与える必要があります。放電深度（DOD）をセル間で一貫させるためのバランシング制御の実装は、均一な経年劣化を達成するための効果的な方法です。バランシング制御は、動作中の放電深度を一貫して維持し、これによりバッテリーパック全体のサイクル寿命が延びるだけでなく（前述）、劣化も均一になり、すべてのセルで比較的類似したSOH値が得られます。

会社概要

Acey New Energyは、ハイエンドのリチウムイオン電池製造装置の研究開発に特化しています。円筒形/角形電池の全自動リチウムイオン電池生産ラインのワンストップソリューションを提供できます。バッテリーパックテスターまたはバッテリーイコライザーにご興味がある場合は、お問い合わせください。